Eine Lunge mit einer Größe von 30 Millimetern. Ein Herz, das nicht in der Brust, sondern auf einem Siliziumchip schlägt. Ein Gehirn, das mit einem Computer kommuniziert. Was für viele utopisch und futuristisch klingen mag, ist bereits seit einigen Jahren wissenschaftliche Realität. Forscher erkunden die Möglichkeiten und Chancen, die menschliche Organe im Millimetermaßstab für die unterschiedlichsten Lebensbereiche bieten.

(© Amgen)
Bevor ein Arzneimittel verkauft werden darf, muss nachgewiesen sein, dass es beim Menschen wirksam und unschädlich ist. Um das zu bestätigen, werden zunächst Versuche im Labor, und danach Tierversuche durchgeführt. Erst dann wird der Wirkstoffkandidat erstmals in klinischen Studien mit Menschen geprüft(1) . Dieser Prozess könnte in Zukunft möglicherweise auch anders laufen, denn in den letzten Jahren ist es bereits mehreren Forscherteams gelungen, Systeme zur detailgetreuen Nachbildung menschlicher Organe zu entwickeln. Mit dem entscheidenden Vorteil, dass diese Systeme nur wenige Zentimeter groß sind.

Die Herausforderung, der sich die Wissenschaftler dabei stellen müssen, ist die variierende Komplexität der verschiedenen Organe. Während flache dünnschichtige oder tubuläre Organe wie etwa die Netzhaut oder die Luftröhre relativ einfach nachzubilden sind, stellen kompakte dreidimensionale Strukturen wie etwa Herz oder Leber deutlich höhere Hürden dar.

Aktuellstes Beispiel für den Erfolg der Forschung auf diesem Gebiet ist die Meldung, dass es US-amerikanischen Forschern gelungen ist, Herzzellen auf einem Siliziumchip zu kultivieren(2) . Die Forscher betonen, dass es sich dabei nicht um eine reine Zellkultur handele, sondern Zelldifferenzierungsprozesse und Interaktionen mit der Umwelt zu beobachten seien. So konnte am Modell bereits die Wirkung von vier verschiedenen Medikamenten auf den Herzschlag demonstriert werden.

Doch nicht nur Mini-Herzen sind das Ergebnis langjähriger Forschung auf diesem Gebiet. Mehrere Labore in den USA haben bereits funktionierende Mini-Lungen, Mini-Därme, Mini-Lebern und ebenfalls Mini-Herzen entwickeln können. Einer Forschergruppe aus Boston ist es zum Beispiel gelungen, in einem Silikonschlauch mit einer dünnen Trennwand die Kapillarmembran der Lunge mit Zellen aus Blutgefäßwänden auf der einen und Zellen aus der Lungenwand auf der anderen Seite nachzubilden. Durch diesen Schlauch strömen, ganz wie in der Lunge auch, Luft und eine blutähnliche Nährflüssigkeit. Entscheidender Faktor für den Erfolg dieses funktionalen Modells war nach Angaben der Forscher das Simulieren von Atembewegungen durch Vakuumkanäle entlang des Schlauchs. Erst durch die mechanischen Kräfte hätte sich ein interagierender Zellverband gebildet, dessen Funktionalität auch über Infektionsstudien nachgewiesen werden konnte(3) . Bei einer simulierten Bakterieninfektion des Organmodells wurde eine Immunantwort mit weißen Blutkörperchen hervorgerufen, vergleichbar mit den Reaktionen des Immunsystems im menschlichen Körper.

Die Forschungsprojekte in den USA haben ihren Ursprung in der 2011 verkündeten Kooperation des National Institutes of Health (NIH), der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) und der Food and Drug Administration (FDA) bei der Entwicklung und Etablierung von Organ-Chips. NIH und DARPA unterstützen dabei die Forschungsprojekte im Umfang von rund 140 Millionen Dollar, während die FDA sich mit den Möglichkeiten befasst, die solche Chips für die pharmazeutische Forschung bieten.

Doch nicht nur in den USA, auch hier in Europa wird an solchen Miniatursimulationen geforscht. Forschern aus Rostock ist es gelungen, Neurone aus dem Gehirn von Mäuseembryonen auf einem Chip zu befestigen, deren Erregungssignale durch Elektroden abzuleiten und am Computer auszuwerten. Mit diesem simulierten Gehirn wurden bereits knapp hundert Substanzen gegen Krankheiten wie Alzheimer, Parkinson oder Depressionen auf Verträglichkeit und Auswirkungen getestet(4) . Ein Team von der Technischen Universität Berlin stellte 2014 einen Vier-Organ-Chip vor, auf dem Darm, Leber, Niere und Haut mittels 3D-Druck erfolgreich in Miniatur nachgebaut werden konnten. Dafür wurden die Forscher mit dem Tierschutzforschungspreis des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft ausgezeichnet. Das Ziel der Wissenschaftler ist es, bis 2017 einen funktionierenden Kreislauf aus 10 Organen im Miniaturmaßstab zu konstruieren. Gefördert werden sie dabei unter anderem durch den „GO-Bio-Wettbewerb“ des Bundesministeriums für Bildung und Forschung. Mit dem geplanten System soll es sogar möglich sein, die Folgen von Injektionen für den gesamten menschlichen Körper zu untersuchen(5) .

Langfristiges Ziel aller Forscher auf diesem Gebiet ist es, Systeme zu etablieren, die den kompletten menschlichen Organismus und die Interaktion der einzelnen Organe auf einem oder mehreren Chips nachbilden. Erste Versuche dazu gibt es bereits, indem die schon bestehenden Systeme kombiniert werden. Viele weitere Forschungsanstrengungen auf diesem innovativen Gebiet werden nötig sein, um eine routinemäßige Anwendung und damit auch eine Minimierung von Tierversuchen zu ermöglichen.


Literaturtipps:
(1) http://www.vfa.de/embed/so-entsteht-ein-medikament.pdf
(2) http://www.nature.com/srep/2015/150309/srep08883/full/srep08883.html
(3) http://www.spiegel.de/spiegel/print/d-127739882.html
(4) http://www.fr-online.de/wissenschaft/biotechnologie-chip-statt-tierversuche,1472788,20044652.html
(5) http://www.tissuse.com/technology.html